質子交換膜燃料電池在軍事上的使用

丁剛強，彭元亭

（中國船舶重工集團公司第712研究所，武漢 430064）

摘 要：質子交換膜燃料電池（PEMFC）具有高能量轉換效率、低溫快速啟動、低熱輻射和低排放、運行噪聲低和適應不同功率要求，能很好使用在軍事設備上。國外對PEMFC用于陸地軍事設備研究主要有三個方向：單兵作戰動力電源（<100W）、移動電站（100W-500W）和軍車動力驅動電源（500W-10kW）；海軍軍事設備上使用分為海面艦艇輔助動力源、水下無人駕駛機器人電源和潛艇的驅動電源；空中軍事使用主要用于無人駕駛飛機。最后認為隨著PEMFC技術發展完善能廣泛用于軍事系統或裝備。

質子交換膜燃料電池是一種筆直將貯存在燃料和氧化劑中的化學能轉化為電能的發電裝置[1]。電池單體由雙極板、擴散層、催化層和質子交換膜組成，如圖1所示。電池工作過程實際是電解水的逆過程。氫氣由陽極極板流場通道進入擴散層，再通過擴散層到達陽極催化層。

在陽極催化劑作用下H2在陽極催化層中解離為H+和帶負電的電子。

陽極：2H2→4H++4e-

陽極催化層反應生成的H+穿過質子交換膜到達陰極，電子則通過外電路到達陰極。氧氣由陰極極板通道進入擴散層，再通過擴散層到達陰極催化層。在陰極催化劑作用下陰極氧離子和與陽極催化層（10-30µm） 陰極催化層（10-30µm）通過PEM到達陰極的H+以及電子反應生成水。

陰極：O2+4H++4e-→2H2O

總的電池反應為: O2+2H2→2H2O

質子交換膜燃料電池具有以下優勢[2]：1）高能量轉化效率，通過氫氧化合作用，筆直將化學能轉化為電能，不通過熱機過程，不受卡諾循環的限制；2）低溫快速啟動，化學反應迅速，適應負載變化；3）低熱輻射和低排放，運行溫度低于100℃，排放物是純凈水，幾乎沒有氮和硫的氧化物；4）運行噪聲低，可靠性高。燃料電池電池包無機械運動部件，工作時僅有氣體和水的流動；5）適應不同功率要求，燃料電池發電裝置由多個單電池可通過直疊的方式串聯成電池包或通過平鋪的方式聯成電池包，依據需要的功率大小，來選擇組裝的層數。正是由于質子交換膜燃料電池有這么多的優勢，它可以廣泛用于軍事范疇。

1 PEMFC在陸軍軍事裝備使用

國外軍方開展燃料電池在軍事上研究比較早。燃料電池在陸軍事裝備中的使用主要有三方面：一是作為單兵作戰動力電源（<100W）；二是作為移動電站（100W-500W）；三是作為地面軍用動力驅動電源（500W-10kW）[3]。

從1980年到1990年隨著微電子的發展，單兵配備很多新式裝備如夜視鏡、全球定位系統(GPS)、通訊聯系設備和智能搜索系統。這些系統成為士兵的數字化裝備必備系統。士兵非得帶有很多不同型號的單電池為這些設備提供電源。

PEMFC就可以為所有設備提供動力，減輕單兵所帶電源。鮑爾航天與技術公司（Ball Aerospace & Technologies）為陸軍提供兩種移動電源功率分別為50W和100W，如圖2所示。

美國軍方發布的混合動力軍車是以柴油動力系統和燃料電池動力系統并聯運行的混合動力型軍車。PEMFC能量轉換效率為約40％，高于內燃機的30％，可以減輕美軍在油料物資運輸上的負擔和費用[4]。通用公司為運輸車提供混合動力中的5kWPEMFC輔助系統，如圖3所示。裝甲車作戰時除了有較強的移動能力，還需要良好隱蔽性。裝甲車處在靜態守候狀態，一般電池無法提供車上大量的通信設備和預警裝置，這時就依賴PEMFC發電系統，它能夠在滿足低溫柔低噪音要求運行。美國陸軍研究與開發司令部通信與電子研究開發中心（CERDEC）公布一種2kWPEMFC給輕型裝甲車提供輔助動力[5]，它使用甲醇重整氫氣裝置作為氫源，如圖4所示。這些年對PEMFC研究隨著良好設計，有效熱管理和水管理，膜電極制作改進使得電池性能提高和成本降低。軍事使用中需要一個高度安全，便于運輸和相對可靠氫源。最近研究終點從電堆轉移到燃料上來。因此需要發展氫氣的高儲能裝置和發生裝置。

2 PEMFC在海軍軍事裝備使用

燃料電池在海里軍事裝備中的使用主要有三個方面：一是作為海面艦艇輔助動力源；二是作為水下無人駕駛機器人電源；三是作為潛艇的驅動電源。

美國海軍1995年完成了一項燃料電池技術在用作船用電網和推進系統時，對驅逐艦和小型護衛艦等海軍戰艦的設計性能及其影響進行了評價研究。海軍水面戰中心(NSWC)和美國海軍研究署(ONR)，以及美國防高級研究計劃局(DARPA)合作對巴拉德公司(BALLARD)提供500kW PEM 模塊進行了探測[6]。美國海軍計劃在2007-2011年實現2.5MW電堆用于驅逐艦，如圖5所示。最終目標是25MW的電堆。一般電池電能釋放完后報廢或需進行充電，PEMFC只要向其不斷輸入燃料和氧化劑，就能不斷萌生電能。PEMFC可以長時間連續工作，非常符合水下無人駕駛機器人的動力要求。UTC公司在1990年研制一個10kW PEMFC電堆用于海軍的水下無人駕駛機器人(UUV) ，如圖6所示。

潛艇上的使用。2002年3月德國潛艇制造商HDW公司制造的212A型常規潛艇采用了燃料電池和柴電動力聯合推進系統，如圖7所示。其中柴電動力系統中有一臺16V396型增壓高速柴油機，燃料電池動力系統由9組PEMFC模塊、14噸液氧貯存柜和1.7噸氣態氫貯存柜3部分組成。燃料電池是由西門子公司提供[7]。212型潛艇的水中連續潛航就能達到2至3周，傳統的柴電動力潛艇在水下潛航2～3天，就會耗盡電池能量，非得浮上水面給蓄電池充電。同時燃料電池運行沒有噪音，而且不會放出熱量，這些因素有助于潛艇不易被識別。212A 型潛艇的燃料電池動力系統用于水下長時間巡航。

柴-電動力系統用于潛艇作戰時高速航行。單靠燃料電池航行時,其航速可達8節；當以4.5節航速潛航時，該電池系統還可提供11kW的生活用電。同時續航力可達2315km，潛航時間達278h。兩種動力系統同時工作時,潛艇的水下繼續航行時間能超過364h，續航力達到3034km，這比209型潛艇的水下續航力提高了4.4倍，從而大大提高了212A型潛艇的生存力與戰役力。西門子公司下一步將進一步研制120kW的PEMFC模塊，使用2個模塊240kW代替現有潛艇上的PEMFC模塊。俄羅斯研制燃料電池也有三十多年歷史，在八十年代初成功進行了燃料電池推進系統的運行實驗。俄紅寶石海上工程中央設計局設計的第四代常規動力潛艇發展阿穆爾級（Amur）型潛艇將裝備燃料電池推進系統,如圖8所示。

3 PEMFC在空軍軍事裝備使用

PEMFC具有高能量密度，使得它能為無人駕駛飛機提供驅動力。美國航空航天局（NASA）研制一架使用燃料電池做推進無人太陽能飛機的備份動力的無人駕駛飛機太陽神號(Helios) ,如圖9所示。

這架飛機在2001年8月締造世界飛行高度的紀錄，飛抵32,160m高空。太陽神號外形是一個飛行翼，長82m，由前面至后面惟有2.6m。兩名飛行員在地面可以利用手提電腦遙控它。太陽神機翼上有62,000 枚太陽能電池，以此驅動由小型電力馬達所轉動的14具螺旋槳；太陽神可以接近自行車的速度起飛，并以每個小時9至15km的速度飛行。設計制造太陽神號的美國Aero Vironment公司正在發展可重復充電的氫氧能源儲存系統。太陽神號白天多余的太陽能轉存至燃料電池以在夜間使用，實現能在空中飛行幾個月時間，提高飛行半徑和對偏遠地區的偵探。

Aero Vironment公司又在2003年5月對一架由燃料電池作為驅動力的微型飛行器 大黃蜂(Hornet)進行了試飛，驗證用燃料電池作為動力的微型飛行器進行長時間飛行的可能性。大黃蜂重170g，翼展38cm，如圖10所示。大黃蜂機翼的上表面可以清楚地看到順序排列18節燃料電池，電池串聯在一起，每一節萌生0.5～0.6V的電壓。機翼的底部是標準結構，上表面是由薄的燃料電池包成，電池內儲有低壓氫，并與外界空氣中的氧反應萌生電和水。

美國波音公司也開展使用燃料電池做動力推進系統的UAV研究。波音公司與美國防高級研究計劃局簽訂了無人機燃料電池動力系統開發合同，前期投入資金為30萬美元，按設計要求新型燃料電池的無人機將延長無人機的空中連續飛行時間。燃料電池動力系統能使無人機在空中連續飛行數周，而不是今朝的幾十小時。計劃項目的第一階段，波音無人機系統部將領導一支團隊來設計無人機的燃料電池推進系統，并且完成風險減除研究。2003年建成并演示完整的燃料電池動力系統平臺，以便為研究的第三階段提供動力系統。第三階段，波音公司將加工出一架采用燃料電池動力系統的無人機原型機。

4結語

PEMFC至今已經做了大量的研究工作并取得豐碩的成果；此外氫氣制備、儲存和運輸技術，電堆系統優化和控制技術的不斷完善，使得它正在朝著實用化方向發展。這為我們在軍事中使用PEMFC打下基礎，不過還有一些配合需要改進。

1）PEMFC模塊和使用裝備配合，不同的裝備驅動動力不一樣，為它們選擇相應的功率、體積和重量的PEMFC。

2）PEMFC系統和另外一個動力系統配合，在混合動力系統中，協調兩個系統工作狀態。

3）PEMFC系統和環境的配合，環境中的雨、灰塵、溫度都會影響到PEMFC系統運行。通過改進這些方面配合有效提高我軍的裝備和系統的作戰能力。

參考文獻：

[1].林維明著.燃料電池系統[M].北京 化學工業出版社,1996.

[2].D.Schmal,C.E.Kluiters,I.P.Barendregt.Testing of a De Nora polymer electrolyte fuel cell stack of 1kW for naval applications[J].J Power Sources,1996,61: 255-257.

[3].C.G.Quah,N.Sifer,A.Patil,et al.Compact fuel cell systems for soldier power,in Proceedings of the International Fuel Cell Conference,2003.

[4].N.Sifer,K.Gardner.An analysis of hydrogen production from ammonia hydride hydrogen generators for use in military fuel cell environments[J].J Power Sources,2003,121: 135-141.

[5].Ashok S.Patil,Terry G.Dubois,Nicholas Sifer,et al.Portable fuel cell systems for America’s army: technology transition to the field[J].J Power Sources,2004,136:220-225.

[6].Stefan.Geiger,David Jollie.Fuel cell market survey:Military Applications.FUEL CELL TODAY,2004.

[7].張小琴,易良廷.燃料電池在軍事裝備中的使用分解[J].移動電源與車輛,2004,3:33-38

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